AW最新成果︱用于温度监测的柔性智能自供电传感贴片

【引言】近年来，可对生理信号或周围环境信息进行实时监测的可穿戴传感器件的发展受到了大家的广泛关注，在所有的传感功能中，温度传感是可穿戴监测系统的基本构建模块，因为温度不仅是人体健康监测中的重要参数也是周围环境监测中的重要指标。目前研究者提出了各种用于温度监测的可穿戴传感器件，然而这些器件对电能的持续需求使得用户不可避免的通过外部电源频繁充电，为日常使用带来了极大的不便，如何将可持续提供电能的能量单元与传感系统相集成，是可穿戴电子器件推向实际应用的一个关键。

【成果简介】近日，北京大学信息科学技术学院张海霞教授课题组利用喷涂工艺，通过将摩擦式能量采集器、电源管理电路和温度传感阵列集成在一起，展示了一种柔性透明自供电的智能温度传感贴片；相关成果以“Self-powered flexible and transparent smart patch for temperature sensing”为题，发表于《应用物理学快报》（Applied Physics Letters）上，其中博士研究生陈学先为论文第一作者，张海霞教授为通信作者。该项工作通过掩模技术和大面积喷涂工艺，利用银纳米线和还原氧化石墨烯等功能材料，将单电极摩擦式能量采集器，电极引线和温度传感器阵列同时加工到同一柔性衬底上，并将柔性印刷电路板工艺制作的能量管理电路与之集成，从而实现集能量采集、能量管理和温度传感为一体的自供电传感微系统。得益于温度传感阵列的低功耗特性和能量管理电路的快速充电能力，该器件可通过能量采集部分在105s内将电路板上的100 F电容快速充电至1V，并驱动单个传感器件持续工作100s。这项研究中提供的加工方法和器件架构不仅避免了复杂的制备过程，而且方便通过新材料选择和器件设计进行功能扩展，为构建自供电传感系统提供了一种低成本、大批量的实现方法。 

图一：柔性智能温度传感贴片加工过程和结构概览

（a）器件制备过程

（b）器件等效电路模型

（c）器件实物图

（d-f）摩擦层表面微结构、喷涂氧化还原石墨烯和银纳米线薄膜的SEM照片

图二：单电极摩擦式能量采集器的输出性能

（a-b）摩擦式能量采集器与皮肤摩擦时的输出电压和电流

（c-d）摩擦式能量采集器与其他常见材料摩擦时的输出电压和电流

（e）摩擦式能量采集器的负载响应

（f）摩擦式能量采集器的电容充电曲线

（g-h）摩擦式能量采集器的稳定性表征

图三：温度传感器件的性能表征

（a）温度传感器在25-70℃之间的I-V响应曲线

（b）温度传感器随温度升高的电阻响应曲线

（c-d）温度传感器高温、低温电流响应曲线

（e）温度传感器随温度变化的电流响应曲线

（f）温度传感器贴附于烧杯表面时对热水和冷水的电流响应曲线

图四：温度传感系统和温度传感阵列的性能表征

（a-b）温度传感器在220F和100 F电容供电下的电流随温度变化响应曲线

（c）温度传感器在100F电容供电下消除电压下降影响的电流响应曲线

（c）温度传感器阵列的工作示意图

（d）手指按压下温度传感器的电流变化分布图

（e）手指按压下温度传感器的电流响应

【小结】这项工作展示了通过简单的加工工艺制作的集能量采集、能量管理和传感于一体的自驱动温度传感贴片，器件具有良好的柔性和光学透明特性，可贴附于物体表面用于环境温度传感，或皮肤表面对人体温度进行监测。通过材料的选择和器件设计，可方便的将其他传感器和通信模块集成到该自供电系统当中，在健康监测和人机交互等领域有广阔的应用前景。

作者：张海霞

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